Questo diagramma mostra un campione triangolare di solfuro di molibdeno monostrato (blu scuro) su strati a base di silicio (azzurro e verde) durante una tecnica sperimentale nota come spettroscopia di eccitazione a fotoluminescenza. Credito:Berkeley Lab
I materiali bidimensionali sono una sorta di fenomeno da novellino nella comunità scientifica. Sono atomicamente sottili e possono esibire proprietà elettroniche e basate sulla luce radicalmente diverse rispetto al loro spessore, forme più convenzionali, quindi i ricercatori si stanno affollando in questo campo nascente per trovare modi per sfruttare questi tratti esotici.
Le applicazioni per i materiali 2D vanno dai componenti di microchip ai pannelli solari supersottili e flessibili e agli schermi di visualizzazione, tra un elenco crescente di possibili usi. Ma poiché la loro struttura fondamentale è intrinsecamente minuscola, possono essere difficili da produrre e misurare, e da abbinare ad altri materiali. Quindi, mentre la ricerca e sviluppo sui materiali 2-D è in aumento, ci sono ancora molte incognite su come isolare, migliorare, e manipolare le loro qualità più desiderabili.
Ora, un team scientifico del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha misurato con precisione alcune proprietà precedentemente oscurate del solfuro di molibdeno, un materiale semiconduttore 2-D noto anche come bisolfuro di molibdeno o MoS2. Il team ha anche rivelato un potente meccanismo di sintonizzazione e un'interrelazione tra la sua elettronica e ottica, o legati alla luce, proprietà.
Per incorporare al meglio tali materiali monostrato nei dispositivi elettronici, gli ingegneri vogliono conoscere il "band gap, " che è il livello di energia minimo necessario per allontanare gli elettroni dagli atomi a cui sono accoppiati, in modo che scorrano liberamente attraverso il materiale come la corrente elettrica scorre attraverso un filo di rame. Fornire energia sufficiente agli elettroni assorbendo la luce, Per esempio, trasforma il materiale in uno stato elettricamente conduttore.
Come riportato nel numero del 25 agosto di Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno misurato il band gap per un monostrato di solfuro di molibdeno, che si è rivelato difficile da prevedere con precisione teoricamente, e ha scoperto che era circa il 30 percento più alto del previsto sulla base di esperimenti precedenti. Hanno anche quantificato come cambia il band gap con la densità elettronica, un fenomeno noto come "rinormalizzazione del band gap".
"Il significato più critico di questo lavoro è stato nel trovare il band gap, " disse Kaiyuan Yao, uno studente laureato ricercatore presso il Berkeley Lab e l'Università della California, Berkeley, che è stato l'autore principale del documento di ricerca.
Da sinistra:Kaiyuan Yao, Nick Borys, e P. James Schuck, visto qui alla fonderia molecolare di Berkeley Lab, misurato una proprietà in un materiale 2-D che potrebbe aiutare a realizzare nuove applicazioni. Credito:Marilyn Chung/Berkeley Lab
"Ciò fornisce una guida molto importante a tutti gli ingegneri dei dispositivi optoelettronici. Devono sapere qual è il band gap" per collegare correttamente il materiale 2-D con altri materiali e componenti in un dispositivo, ha detto Yao.
L'ottenimento della misurazione diretta del band gap è sfidato dal cosiddetto "effetto eccitone" nei materiali 2-D che è prodotto da un forte accoppiamento tra elettroni e "buchi" di elettroni - posizioni vacanti attorno a un atomo in cui può esistere un elettrone. La forza di questo effetto può mascherare le misurazioni del band gap.
Nicholas Borys, uno scienziato del progetto presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab che ha anche partecipato allo studio, ha detto che lo studio risolve anche come sintonizzare le proprietà ottiche ed elettroniche in un materiale 2-D.
"Il vero potere della nostra tecnica, e una pietra miliare importante per la comunità dei fisici, è discernere tra queste proprietà ottiche ed elettroniche, " ha detto Boris.
Il team ha utilizzato diversi strumenti presso la Molecular Foundry, una struttura aperta alla comunità scientifica e specializzata nella creazione e nell'esplorazione di materiali su scala nanometrica.
La tecnica Molecular Foundry che i ricercatori hanno adattato per l'uso nello studio del solfuro di molibdeno monostrato, nota come spettroscopia di eccitazione a fotoluminescenza (PLE), promette di portare nuove applicazioni per il materiale a portata di mano, come biosensori ultrasensibili e transistor più piccoli, e mostra anche la promessa di individuare e manipolare allo stesso modo proprietà in altri materiali 2-D, ricercatori hanno detto.
Kaiyuan Yao lavora con l'attrezzatura della fonderia molecolare del Berkeley Lab che è stata utilizzata per misurare una proprietà in un materiale 2-D. Credito:Marilyn Chung/Berkeley Lab
Il team di ricerca ha misurato sia i segnali degli eccitoni che quelli del band gap, e poi districato questi segnali separati. Gli scienziati hanno osservato come la luce è stata assorbita dagli elettroni nel campione di solfuro di molibdeno mentre regolavano la densità degli elettroni stipati nel campione modificando la tensione elettrica su uno strato di silicio carico che si trovava al di sotto del monostrato di solfuro di molibdeno.
I ricercatori hanno notato un leggero "bump" nelle loro misurazioni che si sono resi conto che si trattava di una misurazione diretta del band gap, e attraverso una serie di altri esperimenti hanno usato la loro scoperta per studiare come il band gap fosse facilmente sintonizzabile semplicemente regolando la densità degli elettroni nel materiale.
"L'ampio grado di sintonizzabilità apre davvero gli occhi alle persone, " ha detto P. James Schuck, che era direttore della struttura di imaging e manipolazione delle nanostrutture presso la Molecular Foundry durante questo studio.
"E poiché potevamo vedere sia il limite del band gap che gli eccitoni contemporaneamente, potremmo capire ciascuno indipendentemente e anche capire la relazione tra loro, " ha detto Schuck, ora alla Columbia University. "Si scopre che tutte queste proprietà dipendono l'una dall'altra".
solfuro di molibdeno, Schuck ha anche osservato, è "estremamente sensibile al suo ambiente locale, " che lo rende un ottimo candidato per l'uso in una vasta gamma di sensori. Poiché è altamente sensibile agli effetti sia ottici che elettronici, potrebbe tradurre la luce in ingresso in segnali elettronici e viceversa.
Schuck ha affermato che il team spera di utilizzare una serie di tecniche presso la Molecular Foundry per creare altri tipi di materiali monostrato e campioni di strati 2-D impilati, e per ottenere misurazioni definitive del gap di banda per questi, pure. "Si scopre che nessuno conosce ancora i band gap per alcuni di questi altri materiali, " Egli ha detto.
Questa immagine mostra un leggero "urto" (freccia rossa) nei dati sperimentali tracciati che rivela la misurazione del gap di banda in un materiale 2-D noto come solfuro di molibdeno. Credito:Berkeley Lab
Il team ha anche esperienza nell'uso di una sonda su nanoscala per mappare il comportamento elettronico in un dato campione.
Borys ha aggiunto, "Speriamo certamente che questo lavoro semini ulteriori studi su altri sistemi di semiconduttori 2-D".
La Molecular Foundry è una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE che fornisce agli scienziati in visita accesso gratuito a attrezzature all'avanguardia e competenze multidisciplinari nella scienza su scala nanometrica.
Ricercatori del Kavli Energy NanoSciences Institute dell'UC Berkeley e del Berkeley Lab, e dall'Arizona State University ha anche partecipato a questo studio, che è stato sostenuto dalla National Science Foundation.
